1.一种基于生物电磁原理的低功耗磁感应断层目标扰动分析方法,其特征在于包括以下步骤:S1:构建相位偏移率极低的高频多通道激励模块,该模块能够发送高频且相位偏移率极低的两路同频同相位的电压的单端正弦波信号,第一路正弦波信号进入步骤S2,第二路正弦波信号记为参比信号;
S2:搭建集成低通滤波器的功率放大模块,将步骤S1第一路正弦波信号经过低通滤波器去除高频混叠和噪声后,进入功率放大器大模块,将正弦波信号转换为差分信号,并进行信号放大;
S3:仿真并制造线圈模块和差分放大模块,线圈模块包括平行间隔设置的接收线圈和发射线圈,将步骤S2放大的差分信号输入至发射线圈,发射线圈通电下产生磁场信号,接收线圈在该磁场信号的作用下能达到磁生电的效果,接收线圈输出电压的正弦波信号,通过差分放大模块进一步信号放大,并将差分信号转换成单端信号,获得调制信号;
S4:配置一系列不同电导率大小的盐溶液,盐溶液放置于步骤S3线圈模块的系统物场区域,即是发射线圈和接收线圈的中间位置,按照步骤S1‑S3的操作,通过扫频的方式采集每个电导率盐溶液干扰下的一系列不同频段的调制信号以及采集对应的参比信号,获得相应的数据集;
S5:搭建低功耗鉴相模块,通过多路复用器MUX设计出模拟鉴相和数字鉴相结合的低功耗鉴相模块,通过模拟鉴相或数字鉴相推算出步骤S4数据集中对应两种信号的相位差,获得关于相位差与电导率对应关系的数据集;
S6:构建基于距离相关系数改进的LSTM回归预测模型,将步骤S5得到的数据集划分为训练集和测试集,并利用所述构建的预测模型进行训练;之后进行待测盐溶液的电导率检测时,先按照步骤S1‑S5的方法测试相位差,然后输入至训练后的预测模型中,即可得到对应盐溶液电导率。
2.如权利要求1所述的一种基于生物电磁原理的低功耗磁感应断层目标扰动分析方法,其特征在于步骤S1中所述相位偏移率极低的高频多通道激励模块包括主控芯片、直接数字频率合成器DDS和低通滤波器,主控芯片发送频率控制字FTW、相位偏移字POW和幅度缩放因子ASF的指令到DDS,设置所需的输出参数,DDS将寄存器值更新到内部缓冲区,从而生成精确的输出信号,DDS分别使用如下三个公式来计算输出频率,相位偏移、输出信号的幅值:其中,FTW是频率控制字,fout是所需的输出频率,fsys是DDS的系统时钟频率;
其中,POW是相位偏移字,φ是所需的相位偏移;
10
ASF=rI×2 (3)
其中,ASF是幅度缩放因子,rI是所需的输出电流与最大输出电流的比值。
3.如权利要求1所述的一种基于生物电磁原理的低功耗磁感应断层目标扰动分析方法,其特征在于步骤S1中高频多通道激励模块发送的正弦波信号的相位偏移率为0.001°‑
0.0001°。
4.如权利要求1所述的一种基于生物电磁原理的低功耗磁感应断层目标扰动分析方法,其特征在于步骤S2中,低通滤波器去除高频混叠和噪声的传递函数如下式所示:其中,ωc=2πfc是截止频率的角频率,fc是截止频率,n是滤波器的阶数为,s是进入低通滤波器的输入信号的复频率;H(s)是传递函数,它是滤波器的核心,定义了输入信号在频域中经过滤波器后的变化;
所述功率放大模块的构建包括搭建前后两级功率放大器,第一级功率放大器将步骤S1产生的单端正弦波信号转换为差分信号,并进行增益放大;第二级功率放大器将前一级差分信号进行进一步的增益放大,保持差分信号的特性并提升输出幅度,通过这两级功率放大器的组合,使得放大后正弦波的电流足够大可以激励线圈;
其中第一级功率放大器的增益放大函数由公式5所示,第二级功率放大器的差模增益函数由公式6所示:公式5中,GN为增益,RF1和RG1分别为第一级功率放大器外围电路中的反馈电阻和输入电阻;
公式6中,VOUT和VIN分别为第一级功率放大器的差模输出电压和单端输入电压,RF2和RG2分别为第二级功率放大器外围电路中的反馈电阻和输入电阻。
5.如权利要求1所述的一种基于生物电磁原理的低功耗磁感应断层目标扰动分析方法,其特征在于步骤S3的具体步骤包括:仿真并制造线圈模块,保证线圈仿真的电感量能够首先达到系统需求,接收线圈和发射线圈均通过如下公式进行相关参数设定:其中,L是线圈电感量,r是线圈的平均半径,N是线圈的匝数,l是线圈的长度,d是线圈的厚度。
6.如权利要求1所述的一种基于生物电磁原理的低功耗磁感应断层目标扰动分析方法,其特征在于步骤S4中进行调制信号的获取时,同一频段采集获得两种调制信号,第一种是所述系统物场区域没有放置盐溶液的空场调制信号,第二种是所述系统物场区域放置盐溶液的电导率干扰调制信号;
步骤S5中所述相位差是电导率干扰调制信号的相位减去空场调制信号的相位后,与参比信号的相位之间的差值。
7.如权利要求1所述的一种基于生物电磁原理的低功耗磁感应断层目标扰动分析方法,其特征在于步骤S5低功耗鉴相模块的搭建具体包括:S5.1:搭建一个扇出为2的MUX选择器放置在该模块的前级,使能控制信号由主控芯片输出;
S5.2:MUX选择器通过电路连接模拟鉴相和数字鉴相,MUX选择器根据检测领域选择模拟鉴相或数字鉴相进行相位差的推算,检测精度高的领域选择数字鉴相,检测精度低的领域选择模拟鉴相。
8.如权利要求1所述的一种基于生物电磁原理的低功耗磁感应断层目标扰动分析方法,其特征在于步骤S4中配置一系列不同电导率大小的盐溶液,是配置一系列不同浓度的盐的水溶液,所述盐为氯化钠。
9.如权利要求1所述的一种基于生物电磁原理的低功耗磁感应断层目标扰动分析方法,其特征在于所述距离相关系数改进的LSTM回归预测模型,包括以下内容:S6.1:通过扫频的方式采集每个电导率盐溶液干扰下的一系列不同频段的调制信号以及采集对应的参比信号,每个电导率盐溶液干扰下均扫描i个不同频段的电压信号,获得30个频段的相位差数据集,上述每个频段下1s采集一次数据,采集时间总计b秒,由此每个频段的相位差数据集是由b列相位差数据组成;
为了获取能够最优表示电导率与相位差数据之间存在最高相关性的频段数据,需要对分别对每一个频段进行距离相关系数相关程度分析,相关程度计算公式如下:其中,dCor(X,Y)是距离相关系数,dCov(X,Y)是距离协方差,dVar(X)和dVar(Y)是X和Y的距离方差;X是对应频段下的b列数据中一列相位差数据,Y是a个盐溶液对应不同的电导率;a、b均为10‑1000的正整数;
T
定义盐溶液电导率的数据集为Y=[y1 y2…ya],定义盐溶液电导率在频段i下的相位差T数据矩阵为W=[wi,1wi,2…wi,a] ,其中,wi,1代表的是编号1盐溶液电导率在频段i下的相位差数据[Δσi,1Δσi,2…Δσi,b];定义a个盐溶液电导率在对应频段下的b列数据第j列相位差T数据为X=[x1,j x2,j … xa,j];
S6.2:根据S6.1计算并统计的相关性总值最高即距离相关系数最大的频段对应的相位差数据作为目标相位差数据;
S6.3:将由S6.2获取的目标相位差数据矩阵定义为:
将上述相位差数据Da,b作为数据集输入,并将S6中的盐溶液电导率Y作为数据集输出,μX=E(X),μY=E(Y),利用LSTM构建电导率回归预测模型进行训练。